平衡探测器是直接探测太赫兹信号的器件，位于高速太赫兹时域光谱 (THz-TDS)系统末端光信号检测部分，是将光学信号转变为模拟电信号的关键器件，其性能决定了测量出的 THz信号的精确度。利用 2个低噪声光电二极管串联，直接探测出 2束激光的差值光电流，降低了探测噪声；选用增益带宽乘积为4 GHz的运算放大器对差值光电流进行两级放大，得到高动态范围的 THz信号，提高了THz信号的探测速度，并测量了 α-乳糖一水合物吸收峰，得到了和文献中相同的吸收峰。

平衡相干检测技术能够大幅度提高光通信系统的灵敏度, 在相干光通信和微波光子系统中得到广泛应用。作为相干检测的核心器件, 平衡探测器近年来已成为研究热点。阐述了平衡探测器的工作原理、器件结构和性能参数, 概述了平衡探测器的最新研究进展, 并对平衡探测器发展过程中存在的问题和发展趋势进行了分析。随着光通信技术的发展, 平衡探测器将在高速率、高射频功率、高响应度和高共模抑制比等方面不断优化, 封装模块将朝着高集成度、低成本和低功耗方向发展。

为了实现对光泵原子磁力仪系统中发散的快速调制光信号的精密相位检测，解决现有平衡光电探测器存在的接光面积小、增益小、带宽小及相位性能不理想等问题，本文采用基于结点差分电流的平衡差分探测方法，分析了平衡探测器抑制系统共模噪声的机理，通过优化元件和提高带宽设计出具有低相位噪声且单管接光面尺寸达到10 mm的大面积平衡光电探测器，并进一步利用双板隔离式的制作方法避免了热噪声干扰，实现了其低相位漂移的特性。实验结果表明，该探测器-3 dB带宽达到1.1 MHz，信号跨阻增益达到0.91 MΩ，在175 kHz调制光信号下的相位噪声峰峰值不超过0.002 3°，能够满足碱金属原子磁力仪系统光信号精密相位检测的要求。

傅里叶变换光谱仪现已广泛应用于红外光谱学领域，它也是较为适合对大气温度、湿度、风场以及大气成分进行天基垂直探测的一种遥感仪器。提出了一种基于马赫-曾德干涉仪的傅里叶变换光谱仪。马赫-曾德干涉仪的一组反射镜作匀速直线运动，线性改变两个光学臂之间的光程差，然后平衡探测器对两路干涉信号进行差分检测。通过对光程差线性变化的电信号进行傅里叶变换，可以获得输入光的光谱分布曲线。与迈克尔逊干涉仪相比，马赫-曾德干涉仪在同样光通量输入条件下得到的干涉信号更强，且由非相干强度带来的噪声更小。该结果对于卫星遥感来说十分有利。

分析了高速空间相干光平衡探测器的电路结构和噪声性能, 明确了平衡探测器的关键技术参数与电路结构之间的关系。采用电阻取样型和双跨阻放大器(TIA)合成型结构设计了两种高速空间平衡光电探测器, 并对其性能参数进行了实验验证。实验显示: 两种高速空间相干光电探测器均可用于高速空间相干探测, 且双TIA型电压合成型平衡探测器比电阻取样型平衡探测器具有更高的探测灵敏度和更好的抗噪声性能。 在通信速率为5 Gbps, 误码率10-8条件下电阻取样型平衡探测器实测最优探测灵敏度为-33.51 dBm, 双TIA型电压合成型平衡探测器实测最优灵敏度为-43.4 dBm。对比Discovery公司通信速率为5 Gbps的平衡探测器产品, 双TIA型电压合成型探测灵敏度提高了近8 dB。结果表明高速空间相干光电探测器的结构研究为创建高灵敏的高速空间相干光通信系统提供了理论基础。

为了探寻空间相干光通信中本振功率与相干探测灵敏度间的关系, 建立了本振光功率变化对相干探测灵敏度影响的数学模型, 仿真分析了不同参数状态下本振功率对相干探测灵敏度的影响。采用自研开发的高速大面积空间耦合平衡探测器搭建了相干探测灵敏度测试实验系统, 并就本振功率对探测灵敏度的影响进行了实验验证。实验结果表明: 相干探测系统中, 两光电管不可能完全匹配, 探测灵敏度始终受到本振强度噪声的影响, 在探测器环境参数一定时, 存在最佳本振光功率值使得相干探测灵敏度取最大值。在误码率为10-12、通信速率为5 Gb/s的条件下, 相干探测灵敏度测试的最大值为-40.16 dBm, 此时对应的本振光功率为9 dBm, 与理论极限值基本一致。该模型对提高相干探测系统的探测灵敏度具有指导意义。

光纤通信在大数据时代得到广泛的应用，其速度快、带宽大、可靠性高的特点满足了对长距离、大容量信息传输的要求。前置放大器作为光接收器的前端，其性能高低直接影响到整个光接收系统的工作性能。基于SMIC 0.13 μm CMOS工艺，设计完成了一款5 Gbps光接收前置放大器。首先，整体差分式结构可以消除共模噪声的干扰，降低放大器的等效输入噪声。其次，采用共源共栅的输入结构具有低输入阻抗的特点，能有效抑制光电管大电容带来的不利影响。最后，输出级采用电流模逻辑结构，解决了输出增益与带宽之间的矛盾。仿真结果表明，放大器增益达到62 dBΩ，带宽4.7 GHz；等效输入噪声30.1 pA/sqrt(Hz)，眼图迹线清晰，张开度较大，能够满足5 Gbps平衡光探测器通信要求。

相干光通信的平衡探测器采用双端差分结构, 能够有效地提高光通信灵敏度。前置放大器作为光接收器的前端, 其性能高低直接影响到整个光接收系统的工作性能, 是光接收器的重要组成部分。文章采用SMIC 0.13μm CMOS工艺, 实现了一种应用于5Gb/s平衡探测器的接收机前置放大器。前置放大器采用具有低输入阻抗特点的RGC结构作输入级, 同时输出级采用两级结构, 在保证带宽的前提下能够提供足够大的电流驱动50Ω负载。仿真结果表明, 该前置放大器带宽能达到要求的5.12GHz, 灵敏度达到-18.4dBm, 眼图张开度良好, 能够满足系统对噪声抑制的要求。

针对国内长距离相干光通信接收系统采用单管探测器接收微弱信号噪声大、信噪比低等缺点，设计了一种应用于相干光通信系统的平衡探测器，运用两个PIN 管分别加跨阻放大器(TIA)，经过两个180°混频魔T 进行耦合相减，消除了大部分的激光器相对强度噪声(RIN)。搭建了测试平衡探测器的相干光通信系统，使本振光和信号光进行光混频，输出眼图显示通信状态良好。通过对比双管和单管的频谱图，进一步说明相干光通信系统的噪声通过这种平衡探测器得到了降低，系统的信噪比提高了大约10 dB，从而证明了该平衡探测器运用于相干光通信系统的可行性和优越性。